锂离子电池正极材料Li2FeSiO4的第一性原理研究

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近年来,锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料Li2FeSiO4因其成本低、安全稳定、无污染等优点受到广泛关注。但此类材料放电后电子传导性下降成为限制其成功商业化的瓶颈,如何解决电导率低的问题是目前研究Li2FeSiO4材料的关键。掺杂过渡金属阳离子的方法能够有效改善导电性能,而且已经在实验中取得一些进展,但其相关的理论研究工作需要进一步深入开展。基于密度泛函理论和玻尔兹曼理论,对正交结构的Li2FeSiO4体系及其在钒(V)掺杂情况下的电子结构、电导率、平均电压等进行了计算。首先采用WIEN2k软件对体系晶体结构进行自洽循环,得到其电子结构。然后利用Boltz TraP代码对材料的导电性质进行计算,获得电导率弛豫时间比(σ/τ)随温度的变化曲线。主要研究内容和结果如下:(1)脱锂相LiFeSiO4较Li2FeSiO4相比,体积变化率只有2.8%。该体系费米能级附近态密度受Fe-3d电子影响显著,材料脱锂后带隙变宽,载流子有效质量增大,不易迁移,导电性能降低。根据电导率弛豫时间比(σ/τ)的计算结果可知,Li2FeSiO4材料脱锂后电导率降低。Li2FeSiO4在高温条件下仍保持接近初始状态时的电导率,说明Li2FeSiO4可能作为耐高温锂离子电池正极材料。(2)掺杂材料Li2Fe1-x VxSiO4与Li2FeSiO4相比晶体结构基本不变,保持了与原材料一致的晶格稳定性。掺杂材料费米能级附近态密度主要受Fe-3d和V-3d电子影响显著。掺杂材料带隙比原材料要窄,价电子更容易跃迁到导带,证明掺杂材料导电性能好于原材料。(3)与原Li2FeSiO4材料相比,掺杂材料在脱锂过程中其晶体结构仍只有微弱变化,说明具有良好的循环稳定性。其费米能级附近态密度主要受Fe-3d和V-3d电子影响显著,掺杂材料在脱锂后带隙仍然很窄,具有良好导电性能。(4)掺杂后材料的平均电压与原材料相比变化不明显,说明掺杂前后的材料充放电电压平台均比较稳定,平稳的充放电电压有利于材料的商业化应用。
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